虚拟培训系统（通用12篇）
虚拟培训系统 篇1
0 引言
实施有效、系统的安全培训, 提高煤矿工作人员安全技术水平和预防、处理事故的能力, 对于煤矿的安全生产至关重要。传统煤矿安全培训教育方式以学习规章制度为主, 大部分都是文字资料, 培训时枯燥无味。多媒体课件以及煤矿拍摄的生产过程和事故案例再现的视频, 由于很多事故无法真正再现给培训人员, 不能充分展现声音、图像、动画和人机交互相结合的特点。因此, 传统的培训手段过于单一, 培训效果很不理想。
针对目前传统煤矿安全培训中存在的问题和局限, 本文采用现代化煤矿安全培训方法, 将虚拟现实技术[1-2]应用于煤矿安全培训, 运用3D仿真技术, 汇集采矿工程、安全科学与技术、计算机科学、三维造型技术、可视化技术及视频合成技术等, 结合机械、电、光、磁、声等综合技术将煤矿风险预控、事故案例再现和事故应急救援以三维仿真和人机交互的方式展现在培训者眼前, 实现三维的高度仿真效果, 使培训者如亲临煤矿生产或事故现场。
基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统在安全生产教育方面发挥独特的作用, 适合煤矿安全培训部门集中学习和生产部门每天的班前会学习, 并通过三维仿真和交互形式使煤矿员工有如沉浸于真实的现场, 达到良好的学习效果。
1 系统设计
煤矿安全培训系统主要利用虚拟现实技术, 以实现不安全行为及其可能造成的后果、典型安全生产事故案例和煤矿安全事故应急预案的高度仿真和人机交互为目的, 使学习者近于亲身体验不可再现的虚拟环境, 从而产生良好的教育效果。煤矿安全培训系统主要应用3DS MAX进行建模、贴图和渲染, 利用Virtools DEV工具实现人机交互。针对煤矿三维动画仿真度不高的缺点, 本系统设计原理如图1所示。
基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统由煤矿风险预控、事故案例再现、事故应急救援3部分组成, 如图2所示。煤矿风险预控主要实现煤矿地面环境和井下环境 (包含地面、机电设备、巷道、采煤工作面等) 的三维仿真, 同时可以自由漫游于井下, 并且模拟一些基本的井下操作;事故案例再现主要通过三维再现煤矿近些年发生的典型安全事故案例, 并且分析事故原因;事故应急救援主要针对煤矿易发生的水灾、火灾、机电、瓦斯和顶板5类灾害事故制作完整的灾害事故应急救援三维仿真。
2 系统实现
首先进行前期调研。根据具体要求, 选择相关危险行为、事故案例和实际应急预案, 详细搜集其资料, 积极联系、询问煤矿技术人员, 了解事故发生前员工进行的操作, 调查、分析事故发生的原因, 制定安全事故应急预案。将所得资料去粗取精, 由表及里地分析研究, 找出原因, 为不安全行为事故的虚拟仿真提供数据依据, 对煤矿安全事故进行准确的分析与定位。咨询相关专家、工程技术人员, 以实现高度仿真为目的, 构思出三维仿真手法。
本系统采用3DS MAX软件来完成煤矿设备模型和场景仿真, 利用Virtools DEV工具实现人机交互。
2.1 基本模型构建
2.1.1 井下设备建模
系统的设备建模主要采用多边形建模技术。简单的小型设备模型只需构建简模, 贴图则利用图片处理软件生成。复杂的大型设备如综采机、液压支架、连采机等, 为达到对其高度仿真的效果, 首先需要收集相关大型设备的技术资料 (图片、外形尺寸、机构运动参数等) , 构建大型设备模型采用先精模后简模[3]的设计方法。井下煤炭的机械化开采是一个相当复杂的生产线。例如上百台液压支架, 再加上刮板输送机、综采机、连采机等复杂的设备模型, 势必会造成场景的数据量膨胀, 导致工作软件的崩溃。目前的模型设计大多采用构建简模和减少模型面数的方法来解决此类问题, 但会使模型的仿真度降低, 达不到真实的效果。因此, 本系统从硬件和制作技术上解决这一问题。硬件上, 需要购置图形工作站级别的高档计算机;制作技术上, 应先做井下设备的精模, 然后在精模的基础上再派生出简模, 在构建大场景中远景采用简模, 近景则使用精模, 以此来解决大场面制作的数据瓶颈问题, 避免了以往三维仿真动画中大型机械模型仿真度不高的缺点。
不一样的设备结构导致所发生的案例也不一样, 大多数煤矿经过整合, 不同种类的机械设备所存在的差异会更多。因此, 设备装置的原始修改堆栈的数据必须保存, 以利于数据资源的再利用, 提高项目完成质量和加快项目完成进度。
采用纹理贴图的制作和处理方法制作逼真度高的贴图, 不仅可以减少模型的面数, 同时可以达到很好的仿真效果。综采机模型如图3所示。
2.1.2 地面和井下巷道建模
地面环境模型主要展现煤矿的外部地貌以及地面各单位和设施的布置情况。井下巷道环境属于有尺度的空间, 所以应依据尺寸参数来构建巷道的三维模型[4]。为使模型更加逼真, 首先通过煤矿地图和实地拍摄实物收集煤矿地面地形的相关数据, 通过巷道和工作面设计图纸来获取井下巷道布置的数据, 然后建立模型。巷道模型如图4所示。
2.1.3 人物仿真
三维仿真动画的主体是人, 人物模型和动作制作是否逼真, 直接反映了整个培训系统的仿真质量。首先对系统中人物的运动特性进行分析来构建基于曲面细分[5]的人体外形建模。曲面细分的建模技术可以使人物运动时产生的效果更加逼真, 在表现人体运动产生的皮肤拉伸和挤压时不会出现失真效果。人体骨骼则采用正向运动和反向运动学技术来进行运动模拟, 使人物模型在模拟动画时更加合理。最后使用蒙皮技术使人物外形模型和骨骼模型进行连接, 形成完整的人物模型。人物仿真的工作量主要集中于模型的动作表现, 应将人物动作分类, 建立人物动作库。为了避免出现人物动作仿真不真实的效果, 首先需要现场请井下工作人员表演容易引起安全事故的动作, 用摄像机拍摄, 然后将动作采集下来作为模型动作表现的分析资料。人物动作可以脱离大场景而单独制作, 但需要一些道具, 如拧螺丝时手中需拿有扳手, 同时还有被操作的对象, 如挡板等, 这些必要的条件应在制作过程中予以满足。因此, 人物动画制作时应该采用“大兵团作战”的方式, 多个人员可以同时完成各种人物动作, 实行程式化制作, 当人物动作完成之后由专门负责的人员来调整人的面部表情、身上配件等。这样就能保证方便快捷、高质量地完成人物动画的制作。人物仿真如图5所示。
2.2 场景构建
基本模型完成后, 需要合成综合的静态场景。把设备和人物模型按照规定的尺寸分别布置在地面场景和井下巷道场景中。布置模型时需要注意模型的大小和距离的比例, 否则会出现不协调现象。合并入支护、电缆、水沟、机电设备及各种管道等设备模型, 使井下环境更加真实。静态场景仿真如图6所示。
由于静态场景仿真无法模仿瓦斯、水灾、火灾等安全事故的场景, 所以采用动态仿真技术十分必要, 本系统采用环境特效编辑器制作爆炸、烟雾等特效。煤矿生产过程中物体下落伤人的事故较多, 如煤块下落、片帮、冒顶等。目前, 大多使用传统的手工方式来描述这类问题, 但感觉不真实, 且费工费时, 在本系统中采用物理模块及反应堆动力学技术, 更真实、自然地反映事故案例的过程。
最后进行灯光的设置, 由于井下环境中物体属性的差异, 使得对井下环境中照明效果的表现难度加大。以往采用普通的标准光照明方法, 其表现力往往不能令人满意。本系统中采用全局光照明, 并使用光线跟踪和光能传递技术, 在后期的特效合成中采用光斑特效和体积光技术。瓦斯爆炸场景仿真如图7所示。
2.3 系统后期合成
前期制作完成后, 要使用Adobe Premiere Pro将前期完成的动画片段和配音等内容进行后期合成, 以形成最终的三维动画[6]。后期将各个片段形成案例素材, 并将生成好的案例素材连接在一起, 同时有一些重要工作需要注意, 例如, 在编辑的同时可能有新的创意产生, 或者需要一些特殊的转场效果和连接技巧, 这时特效的制作就需要与编辑进行协调。最后, 将编成的片段添加背景音效, 采用音效仿真技术将现场中真实的音响效果与画面结合在一起, 给人以身临其境的感觉。
系统的交互式部分使用Virtools DEV[7]进行整合。Virtools DEV可以有效地将3D模型、2D图形和音效等整合在一起, 是具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件, 可以制作出许多不同用途的3D产品。将前期完成的模型导入Virtools DEV进行组合, 以形成完整的场景模型并进行交互式系统的制作。虚拟交互场景如图8所示。
3 关键技术
粒子系统是模拟不规则物体较成熟的一种方法, 该方法充分体现不规则模糊物体的动态性和随机性, 主要用来实现基本模型结构无法实现的运动、形状和动力学效果。粒子系统可以很好地模拟火、水、气体等许多自然景象。本系统使用粒子系统来实现煤流动的动态效果, 把每个煤块都定义为一个有生命周期的、随机运动的、改变运动状态的粒子, 最后动态地控制粒子系统的运动轨迹来实现煤壁片帮、冒顶和煤块沿胶带运动的效果。
碰撞检测是虚拟现实交互的关键技术。碰撞检测问题[8]基于现实世界中一个普遍存在的事实:2个不可穿透的对象不可能在同一时间共享相同的空间区域。为了防止系统中运动的物体发生彼此穿透的现象, 本系统中碰撞、挤压等事故再现和漫游系统均采用碰撞检测技术。由于系统有很强的实时性要求, 同时碰撞检测必须高效、精确, 基于以上要求采用实时碰撞检测技术。
4 系统应用
煤矿安全培训系统由煤矿风险预控、事故案例再现、事故应急救援3个模块组成, 煤矿工作人员可以根据工种的需要选择相关的学习内容。例如, 液压支架工进入煤矿风险预控模块后可以了解到综采工作面中相关的危险源、后果及相关责任。当液压支架工推移、动作支架, 有行人通过或者架前有人作业时, 容易发生顶板垮落、单体支柱倾倒、巷道片帮伤人;支架移动过程中, 支架和溜槽之间容易挤到人。液压支架工还可以控制虚拟矿工模拟操纵综采工作面的液压支架完成降架、移架、升架和推溜的整个操作过程。事故案例再现模块通过三维动画再现国内一些典型的煤矿安全事故案例, 使煤矿工作人员了解到当时事故发生环境、过程及原因。事故应急救援模块模拟几种常见煤矿安全事故和相关人员根据职位的不同做出相应的应急工作, 使煤矿工作人员针对可能发生的事故迅速和有序地开展应急行动, 并实施有效的应急救援工作, 最大程度地减少人员伤亡和财产损失。
5 结语
煤矿安全培训系统从虚拟现实技术出发, 通过煤矿风险预控、事故案例再现和事故应急救援3个方面对煤矿工作人员进行安全培训, 通过高度仿真的三维动画展示和虚拟交互操作使培训人员在学习时有置身于真实环境的感觉, 有效地增强了学习效果, 从而达到提高安全意识、减少安全事故的目的。该系统已经在神东煤炭集团安全监察局得到应用, 取得良好的教育效果。
参考文献
[1]代昌标.煤矿安全虚拟现实仿真系统总体设计及关键技术的研究[D].武汉:中国地质大学, 2007.
[2]洪炳镕, 蔡则苏, 唐好选.虚拟现实及其应用[M].北京:国防工业出版社, 2005.
[3]高红森, 栗继祖.基于3D和Virtools的煤矿安全行为模拟[J].太原理工大学学报, 2010, 41 (1) :106-109.
[4]韩可琦, 苌道方.虚拟现实技术在综采工作面仿真中的应用[J].计算机仿真, 2006, 23 (6) :229-232.
[5]沈学利, 张纪锁, 张红岩.基于虚拟现实大型矿山机械建模研究[J].煤矿机械, 2010, 31 (4) :38-40.
[6]王兵建, 张盛, 张亚伟, 等.虚拟现实技术在煤矿安全培训中的应用[J].煤炭科学技术, 2009, 37 (2) :65-67.
[7]刘惠义, 邱云, 张春红.虚拟视景交互漫游系统的实时碰撞检测方法研究[J].河海大学学报:自然科学版, 2005, 33 (3) :339-342.
[8]刘峰.基于Virtools的物理力学虚拟实验研究[D].新乡:河南师范大学, 2009.
虚拟培训系统 篇2
中小企业实施培训虚拟管理的最佳方式应该是委托专业机构培训与鼓励引导员工自我开发相结合。这样可以集中以上两种培训方式的优点，并可减少或避免其缺点。其突出的优势主要表现在如下几个方面：一是相结合的方式可以进一步密切企业、员工和培训机构三者之间的关系，为取得更好的培训效果奠定基础。二是由于这种培训方式是企业、员工和培训机构三方共同投资，共担风险，共享收益，风险共担，这种利益共生体将最大限度的调动培训参与各方的积极性，能大大提高培训投资收益率。三是这种培训运作方式既能满足企业战略发展对培训的要求，也能满足员工个人的职业生涯发展对培训的需求。在培训中关注员工个人的需求，这是一种全新的企业培训意识，符合“以人为中心”的现代管理理念。
虚拟培训系统 篇3
关键词：虚拟机；虚拟内存；宿主计算机
在计算机操作系统培训教学中，加强培训学员动手能力的培养是最受重视的问题。操作系统的安装是计算机操作系统培训教学的核心教学，对上机实训教学要求很高。计算机操作系统培训教学不仅要求培训学员能够掌握操作系统的基础理论和工作原理，还要求学员能够熟练地、正确地安装、配置、优化操作系统以及常用的软件。计算机操作系统培训的具体内容如下：
1.操作系统安装：包括合理划分硬盘分区、正确安装操作系统、安装硬件驱动程序等步骤。
2.操作系统优化：包括操作界面优化、虚拟内存优化、系统启动速度优化等步骤。
3.操作系统配置：包括系统自动更新、系统网络配置、系统打印机配置等步骤。
4.常用软件的安装与配置过程包括：安装、配置杀毒软件、安全防护软件、办公应用软件、常用输入法软件、影音软件等步骤。
5.操作系统的维护：要求学员能够就安装、配置、优化以及操作过程中出现的各种问题进行正确的维护。
在传统的上机实验过程中，完成计算机操作系统培训的全部内容，培训学员常常需要将一台实验计算机原有的操作系统全部破坏，再进行正确安装，这样做破坏了原有的教学演示软件，影响到了培训教师的教学演示。由于实验环境的特殊要求，不允许培训学员对硬盘进行随意分区，也影响了培训学员的学习热情。近年来，随着虚拟机技术的发展与广泛应用，上述问题得到了很好的解决。虚拟机技术的出现及虚拟机的强大功能，使得利用现有的实验设备，在不破坏实验计算机原有系统的前提下，开展以前无法开展的实验成为可能，计算机培训教学质量也有了明显的提高。
一、虚拟机技术介绍
1.虚拟机的基本概念
所谓虚拟机（Virtual Machine）就是在计算机硬件基础上通过软件技术模拟出来具有完整功能的计算机系统。通过虚拟机软件，可以在一台物理计算机上模拟出一台或多台虚拟的计算机，这些虚拟计算机拥有自己的CPU、内存、硬盘和网卡等硬件设备，像物理计算机一样工作，可以给虚拟计算机硬盘分区、安装操作系统、安装应用程序、访问计算机网络等，且不会影响真实硬盘上的数据，甚至可以将多台虚拟机连接成一个虚拟的局域网。
2.VMware虚拟机软件简介
VMware Workstation 是VMware公司开发的一款虚拟机软件，它可以在一台计算机上支持运行一台或多台虚拟客户机，支持许多常见的操作系统，如Windows 98、Windows 2000、Windows XP、Vista、Windows 7、Linux和Unix等操作系统。与物理计算机上安装多启动系统不同的是，在VMware上可以同时运行多个不同类型的操作系统，可以很方便地在不同的操作系统之间进行灵活切换，每个客户机操作系统在逻辑结构上都是相互独立的，在各自系统内所做的修改、配置的服务、运行的程序都互不影响。而多启动系统的计算机，仅能在同一时刻运行一个操作系统，切换操作系统时需要重新启动。
二、虚拟机在培训实训教学中的优势
运用VMware构建虚拟教学环境有以下优点：
1.VMware虚拟机兼容性好、可靠性高
虚拟的客户机系统和物理计算机一样拥有BIOS、CPU、内存、硬盘、声卡、显卡、网卡等硬件设备，并与宿主计算机一起共用光驱、软驱、键盘、鼠标、显示器等硬件设备。它的操作系统安装和使用与普通计算机几乎是一样的，可以拥有自己独立的IP地址，为使用者提供全部的PC（个人计算机）功能，能很好地满足各种计算机培训实训教学的需求。
2.VMware虚拟机几乎对所有主流的操作系统都提供良好的支持
利用VMware虚拟机软件可以在有限的资源条件下方便地构建基于不同平台的复杂的网络结构和实验环境，充分发挥现有资源的作用，节约了硬件投资。
3.在同一台计算机上可以同时建立多个虚拟客户机，也可以同时运行其中的若干个虚拟操作系统
在正在运行的虚拟客户机之间，在虚拟客户与宿主计算机之间，可以通过多种方式联网，以满足实验需求。
4.宿主计算机完全控制虚拟客户机
当在虚拟客户机中进行危险操作时，宿主计算机可以关闭与虚拟客户机之间的连接，并可以随时关闭虚拟客户机，最大限度地减小了实验过程中造成的硬件损坏或系统瘫痪的可能性。
5.用VMware虚拟机软件建立的虚拟客户机主要以文件的形式存储
当虚拟客户机在实验中彻底损坏以后，可以通过复制备份文件的方法，很快对虚拟客户机进行重建。其重建的速度和灵活性比使用克隆软件（GHOST）还原操作系统的速度要快、要好。
6.虚拟机强大的可复用性使得实验环境的维护变得轻松
在一台计算机上安装好虚拟客户机后，将其复制到其他硬盘分区或其他计算机上，无需修改就可以直接使用，这对操作系统配置、优化、维护等培训提供了极大的便利。
三、VMware虚拟机软件在计算机操作系统培训教学中的应用
1.安装与设置VMware虚拟机软件
因为需要搭建VMware虚拟客户机供实验使用，所以首先需向培训学员简单介绍VMware虚拟机软件的功能及作用，并演示在实验计算机上安装VMware虚拟机软件。其次，根据培训计算机操作系统类型的不同以及实验计算机硬盘的大小，对安装后的虚拟机进行不同的设置。最后，要求培训学员在实验计算机上安装虚拟软件，并按要求对虚拟客户机进行设置。
例如：如果培训Windows XP操作系统，则要求培训学员将虚拟客户机的硬盘设置为40G；如果培训Windows 7操作系统，则要求培训学员将虚拟客户机的硬盘设置为80G等。
2.BIOS设置及硬盘分区
BIOS设置和硬盘的合理分区是计算机操作系统培训的难点。
BIOS是英文“Basic Input Output System”的缩略语，直译过来后中文名称就是“基本输入输出系统”。其实，它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序。其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。因为BIOS设置的错误可能导致计算机不能启动，所以利用VMware虚拟机软件提供的客户机中的BIOS可以很好地完成BIOS设置的教学演示，培训学员也可通过对虚拟客户机中的BIOS的设置，直观地理解和掌握BIOS设置方法。
硬盘分区就是将容量比较大的硬盘按需要划分成几个不同用途的分区。因为硬盘分区会破坏整个硬盘中的数据，所以在传统实验中一直不允许学员进行操作。利用虚拟客户机中提供的模拟硬盘，培训学员可以学习多种方法，亲自对虚拟客户机的硬盘进行分区，并可重复进行练习，进一步提高学员的学习热情。
3.操作系统的安装、设置与优化
利用提供的不同操作系统安装光盘映像文件，培训学员可以在虚拟机软件中创建一个或多个虚拟客户机，并在虚拟客户机中反复练习、安装不同的操作系统，使学员对安装操作系统有更直观的认识。利用虚拟机软件所提供的“快照”功能，培训学员可以对安装好的操作系统进行不同的设置、优化，使设置、优化后的操作系统达到培训学员所要求的效果，并通过上网设置、网上邻居设置、打印机的安装等使培训学员感受到真实的物理实验环境，达到提高培训教学质量的目的。
4.常用软件的安装、设置
在安装操作系统的虚拟客户机上，培训学员可以实验安装多种常用软件，并对操作系统进行优化设置，使虚拟客户机的运行效果达到培训学员认为的最佳状态。利用在虚拟客户机上进行反复练习，让培训学员克服实际操作中的心理障碍，改正不良操作习惯，最终达到计算机操作系统培训目标。
利用虚拟机软件来辅助计算机操作系统培训教学，使得教学演示与学员实验都能顺利进行。由于虚拟客户机是VMware软件建立在物理计算机上的一个文件，对虚拟机的任何操作都不会损坏硬件设备。因此，可以在虚拟机中完成传统教学中无法完成的实验。将虚拟机技术运用到计算机操作系统培训教学中不仅提高了培训教学质量，还节省了大量的教学经费。
参考文献：
［1］刘爱军.虚拟机技术在计算机实验教学中的应用［J］.学术研讨，2007.
［2］艾娟.高职计算机实验教学中虚拟机软件VMware的应用研究［J］.企业技术研究，2009.
（作者单位 甘肃省金昌市金川集团公司职工培训中心网络学校）
虚拟培训系统 篇4
关键词：三维,仿真,OSG,虚拟现实,集控站,碰撞检测,定位
0 引言
集控站仿真培训是提高集控站运行操作人员素质、保证电力系统安全稳定运行的重要手段之一, 要求能够实现变电站人员的常规操作培训和故障处理演练。目前集控站仿真培训系统通过采用3D虚拟技术, 基本实现了一次设备场景和监控的仿真, 在功能上能够满足培训要求, 其低培训成本和模拟现实的效果, 都被业内人士所看好。但是经过与用户的沟通后发现, 培训系统实际投运后的使用效果却不尽人意, 一般只限于技能考核, 甚至当做摆设, 没有获得其应有的经济效益。经过调查, 发现一次设备培训部分存在操作方便性的不足、数值量的显示缺乏以及故障体现不够灵活等缺陷, 影响了用户将其当做主要培训手段的决心。PCS-9000集控站仿真培训系统覆盖监控系统、二次屏柜和一次设备的全部培训环节, 本系统在满足基本培训功能的基础上改进了场景巡视的方便性, 并且丰富了温度、档位等数值量的显示, 故障表现形式多样化, 且可以在一次场景内的任何位置设置, 提高了系统的实用性。主要介绍这些功能的技术实现。
1 系统结构
本系统基于Sophic分布式实时库平台开发, 在平台基础上开发了监控仿真、二次屏柜仿真和三维一次设备仿真, 并以教员和学员2种节点类型进行分布式部署。教员和学员节点之间通过Sophic平台共享SCADA仿真数据和传送消息。教员在教员节点上设置仿真数据和教案, 并控制培训的进程, 记录培训数据, 最后对培训结果进行评分。学员在学员机上的3D仿真工具上完成监控、二次设备以及一次设备的操作培训 (见图1) 。着重介绍一次设备仿真部分的几个重要功能的实现。
2 一次设备仿真程序结构
一次设备仿真程序主要实现一次设备和故障展示, 提供鼠标和方向键漫游, 提供鹰眼图和设备定位功能, 为教员提供故障点设置功能, 为学员提供一次设备的巡视、倒闸、挂牌、验电等操作。教员和学员节点都部署一次设备仿真程序, 不同之处在于, 教员节点上的一次设备仿真程序可以配置教案中一次场景的故障, 学员节点则不能。一次设备仿真程序采用三层结构设计:人机交互接口层采用QT4编写, 提供操作的主界面。采用OSG 2.8.2开发包来负责三维场景的管理、天气、漫游控制以及优化处理等, 采用Sophic平台来完成设备信息的获取以及操作的执行和记录 (见图2) 。
根据投运和使用过程中用户的反馈可以看出, 在一次场景仿真方面的需求、满足完整的故障模拟培训和倒闸操作过程之外, 主要优点集中在:漫游方便, 可以灵活定位、可灵活模拟故障, 可灵活设置缺陷。
3 漫游与碰撞检测
在一次设备场景中的漫游, 是通过键盘和鼠标的操作来实现的, 通过控制摄像机的视点和方向, 模拟在真实的场景中的行走。控制摄像机需要从osg GA::Matrix Manipulator派生类MOnline Cruise, 并将该派生类的一个对象加入到场景的视口osg::Viewer的摄像机控制器中。在派生类MOnline Cruise中, 对键盘和鼠标事件进行处理, 改变摄像机的视点和方向。
碰撞检测涉及到2种情况:判断角色是否与前面的物体 (设备或建筑物) 碰撞;保证角色按照地形 (地面和楼梯) 漫游。在建模时通过配置将物体和地形分别管理, 碰撞检测时也分别处理。对于第1种情况, 遇到与物体的碰撞, 则停止移动。通常采用的方法是用单线检测 (当前视点与目的视点的连线, 与物体是否相交) 的方式, 这种方式检测速度较快, 但是准确性太低, 容易造成从设备的缝隙穿过的现象。如果采用物理引擎来进行碰撞检测, 精确度很高, 但是影响效率。从实际要求出发, 采用双线检测的方法, 既保证了速度, 也提高了准确性。双线检测的方法是建立2条视线, 一条是视点与目的点的连线, 一条是视线下方与目的点下方 (如50cm) 的连线, 一旦遇到碰撞, 则停止或沿地面改变高度和方向。有了2条线的检测, 可以保证基本准确的碰撞检测, 避免穿洞而过的现象。对于第2种情况, 稍微复杂一些, 可以选取视点下方与地面接近的某个点以及目的点下方相同位置的点, 形成检测线, 与前方地形进行检测。如果前方地形是升高, 能检测到碰撞, 从而改变新视点的高度, 以适应地形;如果前方地形是降低的, 则检测不到碰撞, 视点处于悬空状态, 需要再次垂直向下与地面碰撞, 找到地面的碰撞点, 从而得到新的视点位置。在集控站的一次设备仿真中, 为了简化, 假设地形都是水平或楼梯, 不带斜面, 否则地形的碰撞还需要计算碰撞点的法线来确定视点的新位置 (见图3) 。
4 数值显示
一次设备有很多数值量的指示, 比如压力、温度、档位等。作为仿真培训系统, 如果要达到全面的培训效果, 这些数值的显示不可或缺。对于数值量的显示, 可以采用弹出2D画面的方式来实现, 但是真实性比较差, 因此, 本系统采用了动态纹理的方式实现对数值量的显示。以档位为例, 在场景配置时, 在变压器档位的位置建立一个档位节点, 定义其对应的档位对象。运行时从实时库获取档位数值, 根据数值实时生成动态的纹理图片, 将新纹理图片更新档位节点的纹理, 这样就可以显示出档位效果。代码如下所示。
根据数值生成动态纹理图片的方法是创建一个空白QImage, 然后在QImage上绘制, 对于表盘类的数值, 可以在QImage上绘制表盘和指针;对于直接显示数据的, 可以在QImage上绘制数值字符串, 然后再将QImage图片转换为OSG纹理图片osg::Image。
5 挂牌实现
挂牌是变电站运行人员常见的操作, 可以在任何位置挂牌。在配置文件中配置好可挂设的标识牌信息, 包括牌的编号、名称、图片和大小。挂牌的实现方法是通过场景中鼠标的点选, 获取点击的坐标pos和法线vert, 根据牌的参数、坐标pos和法线vert, 创建中心在为点pos, 并垂直与法线vert的牌节点nd。
创建标识牌过程的伪代码如下:
1) 创建一个叶节点geode
Create (osg::Geode*geode) ;
2) 根据法线, 计算牌平面与各个轴的夹角Ax, Ay, Az
Caculate (Ax, Ay, Az)
3) 创造一个原点的长方体, 长宽高分别在XYZ轴
Box=Create Box (zero, x, y, z) ;
4) 将其加入到节点中
geode->add Drawable (box) ;
5) 根据牌号创建牌的纹理图片
img=Get Tag Image (tagno) ;
6) 启用单元自动生成纹理和纹理坐标
stateset=geode->get Or Create State Set () ;
7) 将纹理图片应用于纹理
tex=osg::Texture2D (img.get () ;
stateset->set Texture Attribute And Modes (0, tex) ;
8) 创建矩阵变换节点nd, 并将mt旋转和平移
nd.make Rotate (Ax, Ay, Az, 1.0, 1.0, 1.0) ;
nd.make Translate (pos) ;
9.将叶节点geode加入旋转矩阵变换节点
nd->add Child (geode) ;
6 一次场景的故障和缺陷设置
一次场景中需要灵活体现故障和故障的位置。一般来说, 一个设备相关的故障比较容易实现, 只需预先在设备建模时定制, 在故障仿真时显示即可。但是对于设备间故障和线路上的故障就不太方便预先定制, 而且预先定制的内存和显示开销大, 且无法灵活放置故障点的位置。为了减少开销, 本系统采用由教员机在一次场景中自己设置故障点的方式实现, 它不仅能灵活地设置故障点的位置和表现, 还能实现用3D无法或很难虚拟出真实效果的一些缺陷或故障。实现的方法是通过点选, 获取点击的坐标, 在该坐标按照输入的故障参数 (大小和效果) 创建一个故障节点, 同时将此故障的参数和位置信息存入教案库中。故障仿真时, 从教案库中获取故障参数和位置, 重现该故障。
7 鹰眼图和设备定位
鹰眼图是一个常用功能, 通过鹰眼图可以快速定位到场景中的某个位置, 提高其方便性。本系统采用一种简单方式实现了比较准确的鹰眼图功能。在3dsmax中绘制场景时, 在顶视图用鼠标察看并记录有效区域的坐标范围, 记录为X0, X1, Y0, Y1, 并将顶视图渲染到一张图片中, 改变顶视图的渲染参数, 保证图片清晰, 并用画图工具将有效区域剪切出来, 形成新的图片保存为e a g l e.p n g。鹰眼窗口显示图片eagle.png, 图片铺满鹰眼窗口并随鹰眼窗口的大小而缩放, 鹰眼窗口的宽度和高度为w和h, 由于窗口坐标右上角为原点, 而场景坐标以中心为原点, 那么场景坐标Sx, Sy与鹰眼图中坐标Ex, Ey之间的相互转换如下公式所示:
有了以上的坐标转换关系, 当场景中视点位置变化时, 可以计算出在鹰眼图对应的坐标, 并以光点在鹰眼图上显示;当用户点击鹰眼图的某个位置时, 可以计算出对应场景中视点的坐标, 将视点定位到新坐标。这样就形成了鹰眼图与场景漫游的跟随和定位功能。鹰眼如图4所示。
设备定位常规方法是找到设备, 计算其包围盒, 以包围盒外的某一个点为新的视点, 以包围盒的中心为方向来定位。这是一种很通用的方法, 但缺点就是定位不准确, 无法定位到用户想要的位置和视线, 因此, 本系统采用了预设位置的方法。在仿真开始前, 教员在一次设备虚拟场景漫游到一个设备 (如开关2801) 前, 确定合适的位置和方向, 然后将当前位置、方向和设备信息保存入库。仿真开始后, 需要定位到该设备 (如开关2801) 时就可以直接跳到指定的位置和方向。这种方法虽然多了一个预设位置的步骤, 但却能达到最佳定位效果。
8 分布式的实现
分布式是仿真培训系统的必备功能之一, 教员在培训中必要时需要监视学员在场景中的操作。教员机上的一次设备仿真软件具有2种模式:操作模式和观察模式。操作模式时教员可以在场景中设置故障、缺陷等教案内容;观察模式时, 可以选择观察某个学员的场景, 学员在场景内的所有操作, 如挂牌、挂地线、设围栏、开关门、行走、空开操作、开关刀闸操作等, 均同步在教员机上显示。实现的方法是学员机作为RTI的服务端, 教员机的观察模式作为R T I的客户端, 采用Sophic图形的多节点的分布式功能, 从服务端将设备属性、故障设置信息、场景操作信息同步到教员机。设备属性定时发送, 故障设置信息和场景操作信息即时发送, 发送时带学员ID, 教员机收到信息后, 更新设备属性, 显示故障和执行学员的操作。这样基本上保证了教员机与学员机的同步。
9 结语
介绍了PCS-9000集控站仿真培训系统在一次设备三维仿真中的几个关键技术实现。包括漫游和碰撞检测、数值量的显示、挂牌、灵活设置故障点和设备缺陷、鹰眼图和设备定位以及分布式场景等。通过这些技术的实现, 大大提高了培训系统一次设备虚拟场景的可用性, 使得培训内容更加完整, 操作更加方便快捷。通过现场实践证明, 该系统能很好地满足用户的需求。
参考文献
[1]王锐, 王学雷.OpenSceneGraph三维渲染引擎设计与实践[M].北京清华大学出版社, 2009.
[2]刘秀玲, 杜欢平.分布式多交互虚拟场景渲染的协同控制[J].计算机工程与应用, 2009.45 (29) .
虚拟培训系统 篇5
早期的单任务模式
早期的计算机其实并没有操作系统的，因为操作系统本身也使靠计算机硬件执行的一种程序，操作系统就是一种可以提供给其它程序方便编写并运行的程序，由程序来运行程序，而不是自己来运行，这其实就是操作系统提供的最早的一种虚拟化表现。
对于早期的计算机来说，只能运行执行一个任务，整个计算机只能被这个程序独占，例如开机，从软盘或者其它介质上执行程序，直到执行完毕或者人为终端，执行完后拿出戒指，才能再次插入另一介质，重新载入执行另一个程序，而在执行过程中，一旦发生意外，只能重新运行。
操作系统的多任务模式
操作系统的出现解决了很多问题，操作系统本身就是一个程序，计算机家电之后，首先先运行的是操作系统，随时可以载入其它程序执行，也就是说，它可以随时的从软盘上读取其它程序的代码，并切换到这段带马上让CPU执行，执行完毕后则立即切换回操作系统笨死，但是每次也总是要等待这个程序执行完毕，才能接着载入下一个程序执行，
当被载入的程序执行的时候，不能做任何其它事情，暴扣操作系统本身的程序模块，任何产生中断的时间，都会中断正在运行的程序。
程序执行完毕之后，会将CPU使用权归还操作系统，从而继续操作系统本身的运行，这种操作系统成为单任务操作系统，典型代表就是 DOS。
如今操作系统针对系统时钟中断，开发了专门的中断服务器程序，也就是多任务操作系统中的调度程序，时钟中断到来的时候，CPU根据中断向量表的内容，指向调度程序所在的地址入口，执行调度程序的代码，调度程序所做的就是将CPU的执行跳转到各个应用程序所在的内存地址入口，每次中断后，调度程序以一定的优先级，指向不通过的程序入口，这样就能做到极细粒度的应用程序入口切换，如果遇到某个程序还没执行完毕就切被切出了，则操作系统会自动将这个程序运行状态保存起来，待下次轮到的时候，提取出来继续运行。
通过这样的虚拟化，运行在操作系统之上的所有程序都会认为自己是独占一代计算机的硬件运行。
虚拟化的好处
上面介绍的计算机硬件及操作系统，其实计算机系统从诞生起就在不断的进行这虚拟化的过程，时至今日，计算机虚拟化进程依然在飞快的发展。
虚拟培训系统 篇6
关键词：虚拟现实；实验教学系统；构建
中图分类号：TP37 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 03-0000-01
Constructing of Network Virtual Experiment Teaching System on Virtual Reality Technology
Li Xiuluan
(Marine Department of 91,040 Troops North China Sea Navy,Qingdao 266231,Chian)
Abstract:The current problems in the experiment teaching were analyzed,and presented the major advantages for the applicatin of network virtual experiment teaching system.The paper conducted a study to construct network virtual experiment teaching system based on virtual reality technology,and specifically analyzed the functional models and the system framework,etc.
Keywords:Virtual reality;Experiment teaching system;Construction
传统的实验教学模式常常以教师为中心，学生要按照教师的布置来完成实验操作。实验中缺少交互的情况广泛存在，使学生常处于被动状态，对于学生主动性学习和创造能力的培养不利。虚拟实验的概念是随着计算机和网络技术的发展而发展起来的，能够使实验者像在真实环境中一样完成预定的实验项目。本文重点结合虚拟现实技术和网络技术来设计一个网络虚拟实验教学系统，并给出系统模型和功能的设计。
一、网络虚拟实验教学系统开发的需求分析
随着素质教育的逐步推进，教育领域对于实验教学的要求也越来越高。传统的实验教学受到实验器材、场地以及其它环境条件的限制，存在许多问题，主要包括以下几个方面：第一，实验中演示性和验证性内容多，实验步骤和方法固定，过程单调，学生在实验中往往忽视对实验现象和实验过程的观察和思考，不利于学生主动性、创造性思维的培养。第二，实验运行效率低、成本高的问题严重。传统实验器材购置和运行成本高，功能有限，支持的实验内容少，容易造成实验设备闲置和实验室空间浪费。第三，实验手段落后，教学效果有限。随着教育改革的不断深入，对教学实验设备的要求也越来越高，但实验设备的更新却很难同步进行，实验手段落后的问题大量存在。
随着计算机技术和网络技术的发展，虚拟实验教学发展很快。网络虚拟实验教学系统是一个基于网络环境的实验教学系统，系统中大量采用数据库、网络、虚拟现实、计算机仿真等技术，能够为学习者提供虚拟的实验环境。与传统实验相比，网络虚拟实验教学系统突破了实验设备硬件的限制，可以根据不同的实验内容调用不同的虚拟实验单元，并将其组合成不同的实验，能够节省实验资源，学生可以通过自主或者在教师指导下方便的进行实验项目的选择，能够有力的提高学生学习的主动性和激发学生的学习兴趣。
二、基于虚拟现实技术的网络虚拟实验教学系统的构建
从教学和管理的角度看，网络虚拟实验教学系统主要包括三类用户：系统管理员、教师和学生。从逻辑结构上看，网络虚拟实验教学系统可分为教师平台、学生平台和系统管理员平台。这三类用户均运行于基于Web的浏览器/服务器（B/S）模式的系统平台之上，网络虚拟实验教学系统的模型结构如图1所示。
系统各个组成部分的主要功能如下：
学生平台：学生在系统中占据中心地位。学生可以经过授权进入虚拟实验教学系统，进行实验项目的选择和实验的相关操作。包括学习实验教学课件、掌握实验原理、观看实验演示过程、了解实验仪器和设备等。之后，学生即可通过设定的实验项目来选择实验仪器和设备，进行仿真实验操作，并对实验结果和实验数据进行分析。实验过程中，学生可以通过系统提交实验报告，随时提出问题并与教师交互学习。教师平台：教师主要是对实验教学的资源进行制作和管理，包括制作实验教学课件，更新和补充实验资料，对虚拟实验对象的数据库进行管理和维护，生成实验项目，监控实验过程，评价实验结果，解答疑难问题等。管理员平台：负责对系统用户进行管理，进行系统安全策略管理和管理与系统配置。虚拟实验仿真系统：虚拟实验仿真系统作为整个系统的控制中心和最关键的构件，用来将各种实验资源、仪器、实验条件、结果和策略等组合在一起呈现给用户，学生通过虚拟实验仿真系统生成的实验对象和仪器进行实验。虚拟实验仪器设备及对象库：用来存放虚拟实验设备和仪器。实验条件和结果库：用来贮存实验条件和实验结果。
三、结束语
实验教学是配合理论教学的关键教学环节，是实践教学的重要组成部分，对于培养学生分析和解决问题的能力以及学生的实践能力都具有重要作用。文中结合虚拟现实技术，对网络虚拟实验教学系统的基本构建进行研究，给出了网络虚拟实验教学系统的模型结构，致力构建实践性强、仿真性好的虚拟实验教学系统。
参考文献：
[1]王国权等.虚拟试验技术[M].电子工业出版社,2004,05
[2]徐紅,刘羽,王林.网络虚拟实验室建设的研究[J].实验科学与技术,2007,5(4):132-134,147
虚拟培训系统 篇7
1 电力系统仿真培训的现状
随着计算机技术、网络技术和多媒体技术的发展, 电力企业对其从业人员的培训在传统培训手段的基础上开始借助于计算机和网络进行仿真培训。电力系统的培训仿真从二十世纪七十年代开始发展, 早期的培训仿真系统主要运用在火电厂机组中, 之后相继扩展到电网、变电站的仿真培训。电网故障培训仿真系统[1]可以帮助运行人员全面了解网络的设备配置、运行状况, 提高他们判断和处理事故的速度和准确性, 帮助运行人员积累经验;变电站仿真培训系统[2]根据实际变电站的状况, 运用必要的仿真技术, 构建一个虚拟运行的变电站作为培训环境。此外, 针对电气设备结构及检修培训学习的需要, 出现了基于Web的电气设备多媒体培训系统[3], 该系统用课件技术、动画技术、流媒体技术等, 构建了一个开放式、分布式的多媒体远程培训软件平台。近年来, 虚拟现实技术逐渐渗入到变电站培训仿真系统的研发中。虚拟现实技术将软件仿真和物理仿真的优点完美地结合在一起, 使得变电站培训仿真系统的真实感、沉浸感得到极大的提高[4]。
目前国内研究的电气设备多媒体培训系统和变电运行与检修岗位培训系列软件主要运用动画、声音、图像等多媒体手段进行演示讲解, 仍然是灌输式教学, 检修人员不能进行学习练习, 影响了其培训效果;此外, 软件并没有专门针对检修人员进行系列培训。
2 虚拟现实技术
虚拟现实是用计算机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界, 让用户可以从自己的视点出发, 利用自然的技能和某些设备对这一虚拟世界客体进行浏览和交互考察。虚拟现实技术的基本特征有[5]:
a.沉浸感:沉浸是指用户作为主角在虚拟环境中感受到的环境真实程度。
b.交互性:交互是指用户对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。
c.想象力:想象是指用户沉浸在多维信息空间中, 依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识, 发挥主观能动性, 寻求答案, 形成新的观念。
产生虚拟环境的基本方法有两种[6], 即基于图像的方法和基于模型的方法。基于模型的方法是以几何实体建立虚拟环境。几何实体可采用计算机图形学技术绘制, 也可用已有的建模工具如AutoCAD, 3DMAX等建立模型, 然后以统一数据格式输出, 进行实时渲染。建立虚拟现实模型后, 通过加入事件响应, 实现移动、旋转、视点变换等操作, 从而实现交互式虚拟环境。
3 Virtools开发工具
Virtools软件是一款多功能的三维开发软件, 由开发模块、生成模块和发布模块组成。开发模块包括创作应用程序和软件开发工具包。Virtools Dev是创作应用程序的主要开发平台, 生成模块主要包括行为引擎和渲染引擎。发布模块主要包括EXE生成器和WEB播放器, 此外制作的整个作品还可以VMO文件格式保存并发布到网络上。Virtools还提供一套具有丰富互动行为模组的即时3D环境虚拟现实与多媒体互动编辑软件, 互动行为模组可利用Drag&Drop拖放的方式将互动行为模组赋予适当的物件或角色上。Virtools的特点如下[7]:
a.Virtools提供的转换插件支持主流的三维建模软件工具;
b.Virtools开放的架构极其灵活, 可以利用Virtools自带的行为模块, 还可用SDK和VSL通过相应的API接口创建自定义行为模块, 从而制作出功能强大的三维交互产品。
c.Virtools平台中集成的强大渲染引擎, 可使用多种高级的渲染技术, 由此可制作出高品质图形效果和视觉特效的产品。
d.Virtools引进了基于PCS平台, 用于企业互联网配置的两种新产品, 可应用于局域网中, 3D Life Player (Virtools自带的网页播放器) 可应用于互联网。
4 变电设备检修虚拟培训系统总体设计
基于虚拟技术的变电设备检修培训系统总体结构如图1所示。
虚拟培训系统运用三维立体虚拟技术、多媒体技术、Web技术、数据库技术和网络技术, 提供变电设备的三维立体模型, 能够模拟演示每种设备的检修作业程序, 同时提示检修难点、重点、及危险点分析;培训软件还提供检修专业题库, 实现对学员的检修测试, 并对检修记录进行管理分析。具体内容如下:a.变电设备三维立体模型的建立。变电设备主要包括变压器, 断路器, 电压电流互感器, 电容器, GIS, 电抗器, 隔离开关, 接地变等设备模型。b.变电设备标准化检修作业流程的建立。变电设备标准化检修作业流程的模拟及检修难点、重点、及危险点分析提示。c.变电设备检修百科。提供变压器, 断路器, 电压电流互感器, 电容器, GIS, 电抗器, 隔离开关, 接地变等设备的检修知识浏览。d.变电设备检修虚拟场景。提供变压器, 断路器, 电压电流互感器, 电容器, GIS, 电抗器, 隔离开关, 接地变等设备标准化检修作业流程的虚拟场景演示。e.变电设备检修视频动画。提供变压器, 断路器, 电压电流互感器, 电容器, GIS, 电抗器, 隔离开关, 接地变等设备标准化检修作业流程的视频动画演示。f.试题数据库的维护与修改。主要是试题的录入与修改。该部分属于管理员对数据库的维护与修改。g.学员检修在线测试。提供自动组卷、在线答卷功能。h.检修测试结果分析。分析被培训员工的正确率, 某题目的总体得分情况, 总结得分比较低的地方等, 汇总检修经验、教训。i.用户权限管理。从电力系统的安全性和协作培训需要的角度而言, 不同的用户有不同的权限, 对数据的使用也需进行一定的限制。用户权限管理就是为了验证用户登录用户名和密码, 以此为根据使其具有不同的权限。
变电设备检修虚拟培训系统基于B/S模式实现, 其中, 变电设备标准化检修作业流程, 按照检修的步骤制作模型的分解和整合, 其制作工具选用Virtools软件;存储试题和学员检修记录的数据库采用微软的SQL SERVER 2005数据库管理系统;试题数据库的维护与修改、学员的检修测试等基于ASP技术实现。ASP技术可以实现动态网页和数据库访问有关的功能。变电设备检修视频动画采用Flash软件绘制。
本系统的特点是:a.利用虚拟现实技术、三维立体模型实现变电设备检修作业流程的形象逼真的演示。b.培训和测试结合在一起, 可以及时检验学员学习效果, 发现学员在检修中存在的问题和弱点。c.基于B/S模式的虚拟变电设备检修培训软件可以同时允许多个学员在不同地点不同时间进行自主学习和练习。
5 结论
构造变电设备立体模型, 模拟演示标准化检修作业程序, 以加强对检修人员的培训;同时配置检修考试题库, 以满足检修人员取得从业资格的需要。本培训系统突破了传统培训手段上的局限, 使抽象变得具体形象, 从而提高培训效果, 对电力企业检修人员培训、考核及实际检修工作都具有重要意义。
摘要：变电设备随着技术进步不断更新, 需要检修人员不断学习变电设备的检修知识, 提高检修水平。运用三维立体、视频动画、虚拟技术研制变电设备检修培训软件可以突破传统培训手段上的局限, 使抽象变得具体形象, 从而提高培训效果。本文设计了一个基于虚拟技术的变电设备检修培训系统, 包括变电设备三维立体模型与变电设备标准化检修作业流程的建立, 变电设备检修在线培训、变电设备检修在线考试等部分, 介绍了本系统的优点和特色, 本系统对电力企业检修人员培训、考核及实际检修工作都具有重要意义。
关键词：虚拟技术,变电设备,检修培训
参考文献
[1]宋丹.电力系统故障仿真培训系统的设计与开发[D].大连:大连理工大学, 2007.
[2]贺蓓.变电站仿真培训系统支持平台的研究与完善[D].北京:华北电力大学, 2008.
[3]马杰, 王邦志.电气设备多媒体培训系统的研制与开发[J].广东输电与变电技术, 2006, (3) :67-70.
[4]张瀑.虚拟现实变电站仿真培训系统[D].天津:天津大学, 2007.
[5]袁林.基于虚拟现实技术的三维建模方法研究[D].乌鲁木齐:新疆大学, 2008.
[6]刘向铜, 熊助国, 曹秋香.基于3Dmax的虚拟现实的建立过程的探讨[J].西部探矿工程, 2009 (2) :78-81.
虚拟培训系统 篇8
1 系统组成结构
该系统模拟的是综采工作面液压支架、采煤机和输送机的状态, 电液控制系统是实际在井下使用的真实设备, 该系统以郑煤机ZE0701型电液控制系统为培训设备, 以郑煤机为神华集团生产的ZY16800/32/70D型液压支架配套设备为模拟原型。系统主要包括支架控制器、动作采集器、模拟仿真软件 (图1) 。
(1) ZE0701型支架控制器。控制器是电液控制系统的主操作设备, 是实现综采面自动化的关键设备, 其具有30个操作按键, 20路功能输出口, 6路模拟量采集口, 采用架间通信和总线通信方式[4]。
(2) 动作采集器。动作采集器组成如图2所示。采集器在仿真系统里代替电液主控阀的功能, 将控制器输出的动作收集传递给模拟仿真软件, 同时根据输出动作的持续时间模拟给出支架的立柱压力和推移行程, 使支架控制器采集显示和判断。
(3) 模拟仿真软件。采用Unity3D软件进行仿真, Unity3D是一个3D开发工具和游戏引擎套件, 其中包括了图形、音频、物理、网络等多方面的引擎支持, 并且有一个非常强大的编辑器来整合这一切[5]。该软件是实现模拟仿真综采工作面的关键部分, 其表现的合理性和直观性直接影响着该系统使用效果, 虚拟设备 (液压支架) 与真实电液控系统控制器一一对应。
(4) 通信转化器。该设备主要用来将动作采集器的数据按照规定协议传送至模拟仿真软件。
2 模拟仿真软件设计
软件以Unity3D作为虚拟仿真实现软件, 采用Pro-E对液压支架、采煤机、刮板输送机进行精确建模。Unity3D与液压支架的数据交互通过Unity3D支持的脚本语言C#来引用第三方驱动库获取[6]。采煤机位置数据主要在模拟液压支架自动跟机时由软件模拟产生。仿真软件设计流程如图3所示。
模拟场景中的设备通过Pro-E建立1∶1模型导出FBX文件导入到Unity3D中。为了更加形象直观, 需要给模型进行贴图美化, 在Unity3D中需要优化模型, 设置约束关系, 主要约束关系是液压支架各铰接部件的行程限制;采煤机在刮板输送机上行程限制;刮板输送机各连接部件的约束和液压支架与刮板输送机连接部分的约束[7]。三维场景显示如图4所示。
3 虚拟设备的动作原理
支架控制器与井下实际操作完全一致, 操作支架控制器进行支架动作, 动作采集器采集到支架相应动作后通过第三方通信驱动与Unity3D建立数据连接进行交互, Unity3D每收到一帧动作数据, 相应动作就会执行, 待该动作达到行程约束位置后该动作停止, 空闲状态下动作采集器发送握手命令, 测试模拟软件虚拟设备与实际设备是否正常连接。
模拟仿真软件的工作流程如图5所示。为了方便井上培训, 设置固定的安装架将各设备固定, 通过计算机或投影仪等多媒体仪器进行模拟仿真显示, 以便使参加培训的工人能直观地观察到所操作设备的运行状态, 从而熟悉电液控制系统的操作。
4 结语
基于虚拟仿真技术的电液控系统使用模拟培训平台, 在尽可能模拟真实井下综采工作面设备的运行状态下来培训煤矿员工对电液控制系统的使用, 对于初次使用电液控制系统的用户起到了良好的作用。通过模拟培训平台, 有针对性地对煤矿工人进行电液控制系统培训, 对于减少煤矿工人井下的误操作和快速提高煤矿工人的操作水平、充分发挥电液控制系统在高产高效综采工作面作用有着十分重要的意义。
参考文献
[1]张良.液压支架电液控制系统的应用现状及发展趋势[J].煤炭科学技术, 2003 (2) :6-9.
[2]李首滨.国产液压支架电液控制系统技术现状[J].煤炭科学技术, 2010 (1) :58-61.
[3]满慎刚.矿工不安全行为分析及控制对策[J].煤矿安全, 2013 (12) :220-223.
[4]伍小杰, 程尧, 崔建民, 等.液压支架电液控制系统设计[J].煤炭科学技术, 2011 (4) :111-114.
[5]宣雨松.Unity3D游戏开发[M].北京:人民邮电出版社, 2012.
[6]邱建松.基于Unity3d的实时虚拟仿真系统的研究与实现[J].电子制作, 2012 (12) :18-19.
虚拟培训系统 篇9
带电作业作为保障线路运行可靠性的重要手段, 是一项危险性较大、操作安全水平要求较高的特殊工种, 要求作业人员在具备扎实的带电作业理论知识和良好的技术水平的基础上, 具有很高的熟练程度。对作业人员要进行有效培训。传统的培训方式是通过理论讲解、多媒体课件等教学形式, 同时组织学生到现场进行实践教学、现场观摩。由于实际电路存在诸多安全隐患, 且易受到天气、场地、设备等诸多因数的限制, 学生实际动手操作机会较少, 可供学生学习、识别的典型故障、缺陷类型有限, 因此, 难以达到很好的培训效果。为了消除带电作业人员对带电设备的恐惧, 提升带电作业人员的操作技能, 增强带电作业人实际操作能力, 针对输电线路带电作业培训中遇到的问题, 本输配电带电作业三维仿真培训系统, 通过真实的还原作业场景, 覆盖典型的带电作业项目, 设计了基于虚拟现实技术的输电线路带电作业仿真系统, 并对系统实现过程中的关键技术进行分析, 配合相应硬件设备建立了仿真培训系统。
虚拟现实技术 (Virtual Reality) , 又称灵境技术, 是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术。它的兴起, 为人机交互界面的发展开创了新的研究领域。这种技术的特点在于, 计算机产生一种人为虚拟的环境, 这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间, 或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”, 从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用, 改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式, 由于这是一种省钱、安全、有效的培训方法, 现在已被推广到各行各业的培训中。目前, 虚拟现实已被推广到不同领域中, 在科技开发上、商业上、医疗上、娱乐上等得到广泛应用。本文采用虚拟现实技术, 建立起输电线路带电作业的仿真培训系统, 通过模拟现场作业环境和操作流程, 实现基于计算机的仿真培训系统, 使学生在虚拟现实的环境中形象、直观地了解并掌握标准的输电线路带电作业方法。
2 高压输配电带电仿真实训的内容
2.1 关键技术仿真
2.1.1 关键技术仿真的实现
目前, 带电作业施工的操作培训是基于实物进行的, 由于高压导致一定的危险性存在, 为了培训操作者的每一步操作都符合规范, 使用虚拟操作技术与电路仿真技术相结合, 可以建立虚拟的作业工具和绝缘工器具机械的使用方法。本文中, 每项关键技术都是根据在网运行的线路为依据, 按照国家电网公司配电线路带电作业操作手册, 使用三维技术再现带电作业中, 以各种关键技术工作为作业背景, 演示操作流程和方法, 以达到培训的目的。虚拟仿真技术的合理应用与带电作业施工是密不可分的, 关键技术项目有很多:打绳结、进工位、绝缘斗臂车、110-220k V更换绝缘子等。
2.1.2 关键技术仿真的具体项目
本文结合带电作业项目案例, 仅以关键技术之进入工位为例。本项目以在带电作业施工中在进入工位的时候为作业背景说明利用登高板、脚扣、绝缘斗臂车、绝缘平台、绝缘硬梯进入工位时的使用方法。利用虚拟仿真技术, 再现各种工具进入工位时的背景, 使用前的准备、检测以及操作步骤。利用立体环幕使学生犹如身临其境, 演示完毕, 学生再在台式训练仪上模拟考试, 模拟进入工位的操作步骤, 针对进入工位的注意事项, 编辑成若干题目, 使学生能掌握正确操作方法而杜绝有可能产生的意外。比如:登高板挂钩时必须正勾, 切勿反勾, 以免造成脱钩事故;使用脚扣进入工位时, 雨天或冰雪天不宜登杆, 容易出现滑落伤人事故等等。
2.1.3 拓展项目
利用虚拟操作技术还可以检测安全带、登高板的质量, 用人体作冲击荷载实验, 检查登高板是否安全可靠, 同时对安全带也可用人体作冲击荷载实验。另外, 某类作业工具有新款推出时, 如斗臂车, 可以模拟斗臂车启动, 并工作一个循环, 检查是否有液体渗出、液压缸有无渗漏、异常噪声、工作失灵、不稳定运动、撞击或其他故障。
2.2 配电线路、输电线路仿真
2.2.1 配电线路和输电线路仿真的必要
电力线路主要分为配电线路和输电线路两种, 随着供电质量要求的不断提高, 输、配电线路设备实际利用小时数已成为输、配电线路的一项重要考核指标, 带电作业已成为输、配检修方式之一。引起线路故障的原因有很多:设计方面、施工方面、客观因素等等, 产生一些线路缺陷:塔材丢失、杆塔鸟窝、防护林区、杆塔异物、绝缘子更换等, 需及时维护处理。
为培训学生正确的带电作业意识, 积累现场作业经验, 不仅三维演示项目具体作业步骤, 并且包括项目开展前应对现场进行勘查、签发工作票、准备合适的工器具并进行检测合格、核对工作地点线路名称和杆号等等。输配电线路检修项目有很多, 从10k V配电线路到500k V输电线路。从检测、更换绝缘子、线夹、间隔棒等常规项目到带电升高、移位杆塔等复杂项目, 还有750k V线路和特高压交直流输电线路带电作业。具体的项目有:10k V带电更换跌落式开关、10k V带负荷状态下更换隔离刀闸、10k V带电更换直线电杆、500k V带电安装避雷器、800k V输电线路带电更换耐张任意整串绝缘子。
2.2.2 输配电仿真项目的实现
本文结合带电作业项目为例, 利用虚拟操作技术仅以10k V带电清除票挂物为例。本项目根据杆上电气设备布置, 准备好作业设备及仪表, 将绝缘斗臂车定位于最适于作业的位置, 并装置车体接地线, 设遮拦网。采用绝缘夹钳, 绝缘棘轮大剪夹紧票挂物 (比如风筝) 。通过大场景的漫游来展示作业现场和线路实况;通过小场景来展示操作细节, 真实还原了带电作业流程。学生在台式训练仪上模拟考试时, 编辑一些针对本项目注意的一些题型。比如:清除票挂物方法应正确, 防止力度过大;绝缘斗臂车复位操作要平稳, 规避邻近高压线路、杆塔及各类障碍物。
2.2.3 拓展项目
另外还可以设计典型故障案例:模拟单相接地故障、短路故障等。高压输配电是一个综合电能交互系统, 线路故障将会给电力企业及电力用户带来巨大经济损失, 通过模拟故障产生, 故障快速查找, 故障防范的措施, 故障的快速切除, 对培训人员有深远的实际意义。
2.3 输配电仿真的重要意义
为保证向用户不间断供电, 提高供电可靠性;节省检修时间, 减轻劳动强度, 能够使设备检修对用户影响降低为零。培养操作规范、熟练的带电作业人员显得尤为重要, 虚拟仿真技术作为传统培训的有益补充, 培训过程不受时间、天气、气候、空间等因素的影响。为带电作业培训提供规范化、常态化、高效率、低成本的培训环境, 开拓了培训的新模式。
参考文献
[1]沈海萍, 刘晓伟, 等.基于虚拟现实技术的输电线路带电作业仿真培训系统[J].中国水运, 2011 (5) .
[2]胡毅.输配电线路带电作业技术的研究与发展[J].高电压技术, 2006 (11) .
虚拟培训系统 篇10
计算机导弹测控仿真培训系统是用计算机代替了导弹作战过程和设备, 作战过程的种种特性用计算机上运行的模型来代替, 其目的就是利用计算机仿真及各种物理工程技术, 构造一种以训练和教学为目的的仿真系统, 在某种程度上再现一个真实的系统行为, 使接受培训的人员获得必要的有关真实系统的感性与理性知识。仿真训练具有安全、经济、可控、可重复、无风险、不受气候条件和场地空间限制等独特优势, 训练效率和效益也更高。本文以导弹测控系统为仿真对象, 实现在局域网中装备的操作训练仿真以及原理和工作过程的仿真。
1 系统简介
从物质对象分析, 仿真系统由两部分构成, 并且相互间有如下对应关系:仿真系统中的数学模型模拟导弹测控的的动态和静态特性, 而系统开发环境则模拟各项人-机交互功能。在实际应用中通常以人为对象进行分析, 此时仿真对象相对于操作人员分为可见及不可见两部分。不可见部分即系统核心, 构成仿真系统运算平台;可见部分即显示操作界面, 通常包括操作界面以及培训教师操作界面等, 构成面向操作员的仿真系统操作平台。本文以某型导弹为例, 探讨了基于虚拟仪器的在局域网中的测控仿真培训系统的实现方法, 系统对导弹所有的测控项目的输入控制、输出指示、操作步骤和信号流程都进行了模拟。比较实装, 还增加了故障仿真训练和训练成绩考评功能。系统由3个部分组成: (1) 服务器; (2) 客户机; (3) 通信方式。
2 硬件框架
整个测控训练系统由硬件平台、服务器及客户端应用软件组成, 网络模型基于客户机/服务器 (c/s) 模式。图1为测控培训系统硬件组成示意图。
硬件平台采用NI PXI总线测试系统构建, 包括多功能I/O卡PXI-6025和多功能开关卡PXI6527.PXI工控机作为系统服务器。
数据采集卡安装在服务器上, 客户机通过服务器的DAQ设备完成数据采集。板卡参数直接在应用程序中设置, 包括设备号, 通道号, 数字/模拟信号选择, 电压/电流信号采集, 电平范围选择等。
系统采用I/O方式驱动数据采集卡, 在LABVIEW中, 利用底层设备的控件Write to Digital Line.vi, 将接收到的控制数据信号写入设备。
以某型导弹综合测试规程为例, 保障装备测控的操作需要4个号手协同配合完成, 其中0号是指挥号手, 没有操作任务, 但每次仿真前有仿真项目的选择、任务的初始化以及故障仿真时的故障预测等任务。由0号手在1号仿真计算机上操作, 间接修改3号仿真机的相关数据库。从时序上来说, 仿真设置与1号手的操作不冲突, 因此可不单独设置仿真计算机。其余号手每人一台带虚拟面板的计算机, 彼此组成局域网系统。1号计算机模拟对象包括地面电源、发射控制台和远控盒, 主要操作有供电、配电、发射控制及相关显示、音响输出等。2号机模拟对象包括测试装订台和等离子显示器, 主要操作有作战参数装订、测控计算机键盘操作和打印操作等, 相应的显示有导弹测控过程的指示灯显示和等离子显示器显示。3号计算机功能是模拟被测对象即导弹制导控制装备, 主要操作有测控插头连接、惯组三自由度运动操控等, 相应的输出有惯组和舵机音响模拟、插头脱落模拟等。另外为满足测控设备自检需要, 实装还配备有三个等效导弹功能的等效器, 分别是部件等效器、火工品—冷喷系统等效器和弹头等效器。由于测控设备等效自检和对导弹的测控不会同时进行, 所以二者可以放在同一台计算机上模拟。
3 软件设计与实现
仿真系统软件设计要具有良好的可理解性、可重用性和可扩充性, 要求实现多项功能, 如硬件继电器逻辑、操作考评的软件建模功能, 虚拟激励信号源生成的功能, 数据库功能, 网络通信功能, 动态数据共享和多平台集成功能, 多种声音、动画、视频、文本等媒体的同时输出和实时控制功能, 虚拟面板动态显示功能等。利用LabVIEW软件开发平台设计了系统的图案件构架, 完成了客户端以及服务器的应用软件开发。客户端提出申请, 由服务器端根据权限进行批准或否决, 客户端在批准后才有仿真训练的操作功能。
操作训练仿真软件是根据测控项目来划分模块的, 即测控项目对应操作仿真模块。每一模块又分成三个子模块, 分别对应到三台仿真机。每个子模块也采用模块化设计:1、2号计算机分成输入控制、输出效应、功能运算、定时计数和网络通信五大功能模块, 3号计算机则分成输出效应、功能运算、定时计数、数据库模块和网络通信。
3.1 软件开发
仿真系统软件设计时一定程度上采用了分布式的思想, 它的基本构架则采用了流行的客户机/服务器 (C/S) 模式模块化的软件结构图如图2所示:
服务器软件即运算平台, 包含四个主要模块:服务器管理控制模块、数学模型模块、服务器通讯处理模块。其中数学模型是可嵌入模块, 与其它模块一起构成一个服务器主控程序。客户机软件即操作平台, 包括了更多的模块, 针对操作人员的不同而组合设计成不同工作站软件。系统的仿真软件基于图形化编程平台LabVIEW, 模型建立并通过AspenPLUS模拟优化后采用VC++编制成程序, 建立标准的动态连接库 (DLL) , 使用LabVIEW中的调用库函数功能加以调用。
3.2 主面板设计
为了使虚拟训练的环境与实际环境一致, 使操作者在虚拟训练系统上的操作与实际设备操作有相同的感觉, 界面的设计按照实装设计。系统还能实现在服务器端和客户端的文件保存。直接在系统中打开Word和Excel在客户端可以发送波形、数据等。以服务器端为例, 应用程序的子功能选项依次有:培训内容介绍、培训管理、装备培训、打开Word程序、打开Excel程序、其它附加功能、帮助以及退出系统等。在其中选择要打开的子面板, 内部程序将其索引号传到Case结构中, 将用户所选显示在子面板中, 通过这样的方法, 程序将所有的子模块集中于面板中。
3.3 网络通信的实现
局域网型的仿真系统结构及功能相对较为复杂, 为了满足仿真培训运行数据传输的实时性和可靠性要求, 在系统的实现过程中使用了一致的通讯处理技术以及各具特色的通讯处理方法。在仿真系统中, 由于存在人-机交互的显示操作界面, 作为一个实时甚至亚实时系统, 整个系统必须能够及时传递和显示操作人员的任何输入, 由此, 网络通讯需要处理随机发生的数据传输。一般情况下, 随机发送的通讯数据量都很小, 而且数据格式基本固定。由于仿真系统是跨平台的, 因此选择了TCP IP协议作为系统的通信协议。在具体实现时, 则从易于编程实现的角度出发, 考虑采用socket套接字技术, 多功能I/O卡经开关信号采入, 放入一个数组控件中, 由客户服务器端的DataSocket read函数发布给DataSocket Server。在客户端软件中利用同样的数组控件通过DataSocket Server接收, 实现网络通信。这样开发人员或维护人员只需使用有限的几个用户函数, 即可完成数据通讯功能。这样做一方面使通讯处理具有较大的透明度, 另一方面也使系统维护或二次开发变得简便易行。图3为程序流程图。
具体说明如下:作为测控对象仿真的3号机, 一方面接受1号和2号机的控制和激励, 另一方面又把指示和响应送回。另外1、2机之间也有少量的数据交换。这部分功能由各仿真机的"网络通信"模块实现。通信方式为全双工通信, 单服务器/双客户机模式, 端口是设计的关键。模式, 端口是设计的关键, 端口及通信连接如图3所示。端口port的值由用户在0-65535范围内任意指定, 图中相同的端口号表示一条单向的通信链路。编写通信程序时有两点要注意, 一是最好不要用1000端口号, 因为可能遇到防火墙软件的禁止 (保留给特定的用途) ;二是在所有客户机的框图程序中还必须指定服务器的名称, 否则不能建立连接。
下面以1号作为客户机为例说明工作过程, 此时port3为连接端口。首先2号机运行, 用TCP Wait ON Listener节点等待1号机的连接请求, 当1号机发出连接请求后, 2号机用两个TCP Write节点将数据可靠发送, 1号机用两个TCP Read节点将数据可靠接收, 实现单向数据通信。PORT2端口的工作原理相同, 只是此时2号机为客户机。
3.4 其它模块
通过打开Word程序、Excel程序, 用户可以打开本机上的Word、Excel程序。这可通过Automation Open节点完成。其端口功能和参数设置为Automation Refnum:连接ActiveX对象标识。
其它附加功能是为了方便用户而附加的功能, 可将使用的各种虚拟仪器添加在此。
在仿真时, 需要模拟系统内部的电路原理, 办法是首先建立电路的模型, 给模型以激励, 使仿真系统以欠实时的方式动态演示信号流程, 达到受训人员熟练掌握的目的。电路由Prote软件建模, 分别在Flash和3DMAX软件中制作二维和三维动画, 最后应用ActiveX组件技术在LabVIEW中集成, 实现Flash和3DMAX动画地播放。ActiveX是一种建立在COM模型 (组件对象模型) 基础上的软件组件技术。具体实现方法可概述为:首先在框图程序中调入包容器, 在包容器中插入ActiveX控件, 然后用Invoke Node等功能图标搭建框图程序, 调用相关的属性和方法完成编程工作。这样就实现了以LabVIEW为集成平台, 播放二维和三维动画的功能。
4 结束语
实践表明, 虚拟面板、虚拟信号生成、建模和仿真等能使操作人员看到真实清晰的设备功能面板和完整的操作设备过程, 从而达到训练的目的。同时利用了DataSocket技术的实时数据传输功能又很好地实现了数据的共享, 具有开发难度低、二次开发能力强、成本低等优点。另外, 增加标准化的测控接口硬件, 利用LabVIEW等虚拟仪器软件开发测控与仿真的综合系统, 兼具训练仿真、自动测试和实时控制的功能, 非常切合部队的急需, 有可能成为未来重要的发展方向。
参考文献
[1]张易之.虚拟仪器的设计与实现[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.
[2]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京:电子工业出版社, 2003.
[3]张翔, 高效红.仿真训练器的进展[J].现代计算机, 2000.
[4]郭伟.LabVIEW在加氢精制仿真培训系统开发中的应用[J].计算机仿真, 2004 (1) .
[5]杨乐平, 李海涛, 赵勇, 等.LabVIEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社, 2004.
达索系统：用虚拟改变现实 篇11
“在达索看来，当前全球经济已步入体验时代，企业为消费者提供的不再仅仅是产品，而是要创造独一无二的产品体验，因此为用户提供绝佳的3D体验是达索系统的终极价值。” 达索系统大中华区总经理王皓峰在2014达索系统大中华区多品牌用户大会上说。
据介绍，3D体验平台的核心是由CATIA、ENOVIA、DELMIA、SIMULIA四个品牌组成。CATIA整合了全套产品设计流程，从初期的需求到结构设计，能够让用户以可视化的方式、逼真地体验产品开发的全过程。本次大会上，CATIA向现场用户展示了CATIA“云端”技术如何帮助中小企业用户突破复杂IT技术限制、快速部署复杂的解决方案，实现支持移动、快捷的3D设计。达索系统CATIA 首席执行官Philippe Laufer说：“现在用户对3D产品的要求是简单易用，CATIA的目标就是在3D体验平台上如同桌面上的应用一样简单明了。”
而随着移动互联网的发展，基于社交协作的创新潜力很大。基于此，ENOVIA将产品研发、生产集群、企业的合作伙伴、供应链连接到在线社区，来进行全球产品信息的共享和协作。“很多年前ENOVIA是基于文件来进行管理，现在基于3D体验平台的ENOVIA已经从文件管理方式变成数据管理方式，这样的目的正是聚焦于自动化管理，来提升客户工作和研发效率。“达索系统ENOVIA 首席执行官Andy Kalambi说。
现实仿真分析是产品从虚拟设计走向实体生产的关键一步。SIMULIA是具有可扩展性的现实仿真解决方案， 它能加速设计师和工程师在逼真虚拟的环境中通过物理学、力学等学科知识来探索和完善实体产品。通过不断地仿真验证、发现并预测产品未来所有可能存在的风险或隐患，并通过反复修正设计将风险降至最低。尤其是对地震、矿难、核泄漏等重大灾害的模拟仿真，可最大化地降低人员和财产损失。
中国水电顾问集团成都勘测设计研究院（CHIDI）面临着集团化管控向国际化工程公司的转型，公司需要加强内部设计工程精细化管理及和客户之间的协作。通过合作，CHIDI 导入了达索系统 3D 体验平台中的软件 ENOVIA、CATIA、3DVIA 和 SIMULIA，并将其应用于工程设计、工程数据管理、虚拟现实可视化和有限元分析，为业主提供更优质的服务。“我们进一步研究扩大了3D体验平台的应用，通过3D可视化解决方案向客户展示设计方案和提交设计成果，让客户非常直观的理解我们的设计理念和设计方案，具有很好的培训和指导作用。”成都勘测设计研究院数字工程中心副主任张志伟在接受采访时表示。
培训中虚拟技术的选择与应用 篇12
一、虚拟现实技术的培训优势
在人力资源培训中, 引入虚拟现实技术将使其发生深刻的变化, 因为虚拟教育培训环境拥有现实教育培训环境无可比拟的优势。
一是仿真实景。在虚拟现实技术支持下, 虚拟培训设施与真正的培训设施功能相同, 操作方法也一样, 学员通过虚拟培训设施训练技能, 与在现实培训基地里同样方便。理想的虚拟环境应该达到使受训者难以分辩真假的程度 (例如可视场景应随着视点的变化而变化) , 甚至比真的还“真” (如实现比现实更逼真的照明和音响效果) 。在这种情况下, 学员可以感到自己处于虚拟培训环境的体验, 产生一种逼真的现实感, 学员觉得自己真的存在于某训练环境中, 是该环境的一部分, 而不是它的旁观者。学员可自由地在这一环境中与有关的虚拟物体或事件相互作用, 如同在现实世界中一样。此外, 由于这种临场性一方面是使学员进入虚拟环境, 另一方面是运用交互设备把学员的视觉、听觉和其他感觉封闭起来, 使他暂时与真实环境隔离, 因此不会受到虚拟培训环境外的现实环境的干扰, 易于集中学员的注意力, 使他全身心投入到训练中去。
二是开放学习, 实际操作。虚拟教育培训环境能给任何受训者在任何地点任何时间里广泛地提供各种培训的场所。事实上, 虚拟培训环境的内涵是广泛的, 它不同于传统中的培训基地概念, 它除了具备可以进行类似于传统培训项目的环境, 它更擅长于使学员置身于培训项目对象之中的逼真环境。凡是受训者可以通过有关器具操作来学习或训练某种技能的虚拟环境, 都可以归之于虚拟培训环境。比如, 进行飞行器技术培训时, 那么虚拟培训环境就是飞行器及其飞行的模拟环境;做解剖学实习, 虚拟培训环境可以是在虚拟医院甚至虚拟人体中。受训者可通过使用专门设备, 用人类的自然技能实现对虚拟环境 (无论它模拟的是真实环境还是想象环境) 的物体或事件进行操作, 就像在现实环境里一样。譬如, 学员能抓取虚拟环境中的物体, 并让它随手的移动而移动等。可操作性是虚拟培训环境实际运用的必备特性, 它使学员得以在其中学习需要实际操作的培训课程, 也使远程教育培训成为可能。例如, 美国开发的用于培训医生的虚拟现实教学系统, 学习者通过头盔中的左右眼液晶屏获得三维图像, 通过新型的声音系统获得具有强度、深度、方位变化的声音, 通过数据手套、胸、臂等感应器获得触觉和动觉感知。学习者的运动反馈信息则通过头眼及身体各部分的跟踪器、摄像机、数据手套输入计算机, 计算机则根据这些信息调整图像再现内容。在这个系统中, 学习者作为虚拟现实系统中的一员参与整个手术过程, 他可以与系统中的虚拟医生进行交谈, 给他们下达命令, 他可以操作虚拟系统中的手术刀等各种器械, 他的动作变化会导致系统呈现环境与内容的变化, 在这个系统中学习者能够获得真实手术过程中的各种感受。在虚拟现实系统中学习者的认知、动作、反应及交互技能都能够得到良好的训练。
这种现场感强的培训, 可以给受训者带来真实的感受。学员在虚拟环境中接受培训时具有多种感知能力, 如视觉、听觉、力觉、触觉、运动觉、味觉等。理想的虚拟环境让学员具有在现实世界中的一切感知能力。例如, 在虚拟飞行器里, 学员可以看到仪表盘以及蓝天白云, 听到飞机的轰鸣, 触到操纵杆的力度, 感到机身的倾斜等。多感受性使学员得以运用自己所有的感知能力, 在一个极其生动活泼的环境里进行实时的、全方位的学习和训练。由于用虚拟环境代替现实环境, 学习和训练效果更好;而且利用虚拟环境进行技能训练, 也使一些在真实环境下难以实现的项目成为可能, 例如煤矿企业井下事故的模拟与救援培训等。
二、虚拟技术的选择应用
在培训工作中, 培训主管可以根据培训对象、培训内容选择不同的虚拟技术。 (1) 视景仿真技术。是一种在多项技术集成的基础上发展起来的、逼真模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术, 其基本方法和目标是利用高性能的计算机软、硬件及各类传感器, 创建一个使参与者处于一个身临其境的、具有完善的人机交互功能和启发构思的信息环境。视景仿真涉及的关键技术有四项, 即动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感技术、系统集成技术。利用这些技术开发出的虚拟现实系统具有交互性与实时性, 并使用户具有沉浸其中的真实感。 (2) 实例技术。实例技术在实时场景绘制中是十分重要的。在虚拟现实场景的制作中, 往往有大量几何形状相同但其位置、大小、方向不一样的物体存在。例如, 井下的巷道、采煤工作面中大量存在着几何形状完全一样的各种传感器, 同种传感器之间的差别仅在于所处的位置、方向、大小不一样。如果把每个传感器都放入内存, 将造成极大地浪费。可以采用实例技术的方法, 相同的物体只在内存中存放一份实例, 将这份实例进行平移、旋转、缩放之后得到所有相同结构的物体, 从而大大地节约了内存空间。 (3) 纹理映射技术。该系统除了用到以上的技术外, 纹理是另一个用来简化复杂几何体的有效办法。利用纹理映射, 可以以很低的代价来生成复杂的视觉效果。如在煤矿企业的培训内容中, 需要模拟井下环境, 而在煤矿井下环境中, 存在着大量不规则的物体, 例如采煤机、破碎机、运输机、电气设备等。对于这些环境装饰物, 并不是重点展示的物体, 如果都用实体表示, 所带来的资源耗费将是无法接收的。采取纹理映射技术可以很好地解决这一问题。另外, 采用纹理映射技术还可以使远方的周围环境简化为一幅纹理图像。进一步讲, 纹理还可以用来模拟许多难以制作的光照效果, 如聚光灯、阴影灯等光照效果。因此, 纹理映射技术的使用将极大降低场景的复杂性, 实现逼真度和运行速度的平衡。
三、用虚拟技术强化技能培训
对受训员工而言, 知识的学习与技能的学习是同等重要的, 尤其是对从事操作性工作的员工更为明显。但知识与技能的学习有着重要的区别, 知识带有“有或无”的性质, 可以通过书本学到, 而技能则是随着经验和练习得以培养的。技能的学习主要包括认知技能、动作技能、反应技能和交互技能。现有的教学形式对培养学生的技能而言存在较大的缺陷, 它无法提供事件发生现场的教学环境。即使能够通过电视等媒体再现某些重大事件或事物的发展变化过程, 但学习者只能是被动地看, 而不能在事件过程中扮演任何角色。虚拟现实系统通过构建事物发展变化的虚拟环境, 使受训学员在系统中得到身临其境的感受, 更重要的是, 能够以各种形式参与到事件的发展变化过程中去, 在事件的发展变化过程中扮演角色, 其行为将影响事件的发展方向。
1. 提供仿真性操作实景。
虚拟现实技术为各类学员提供自由、灵活的学习环境。由计算机、头盔、数据手套等设备构成的虚拟现实系统, 可以在企业、学校、家庭、计算机网络系统等各种场合与方式下为学员提供学习知识、提高技能的双重环境。同时。它既适合于个别化学习, 又可进行协作学习及远距离学习。学习可在任何时间进行, 满足于各层次学员的学习需要。网络化、智能化的学习环境为人们进行继续学习、终身学习提供了保证。利用多媒体技术, 将理论知识文本和操作流程转化成用二维、三维图形显示, 利用互动式动画、声音使现场场景重现, 利用现场摄制的视频使操作规程有形化等。例如, 在工具教学中运用三维仿真技术, 就可以更加形象和直观地实现工具外观展示、工具结构展示以及工具原理演示等, 从而使培训系统中最令学员难以接受的内容变得非常直观易学, 另外学员还可以对工具任意地旋转、放缩或者是平移, 实现了从任何角度和方向观察模型, 从而避免文字的枯燥, 提高了学习的趣味性、可见性、互动性。对一些大型设备的操作培训。由于设备内部构造较复杂, 很多零部件无法在剖面图中展示。利用虚拟仿真技术, 可以制作单元三维素材。当鼠标点击设备外壳时, 设备外部逐渐透明, 与此同时, 内部构件逐渐清晰。点击局部隐性部件, 还可以使隐性部件放大, 使该隐性部件的结构、在工作过程中的运行状态以及运行原理得到充分的展示, 从而使受训人员在学习过程中将一些无法展示的小部件通过单元三维素材得到充分的展示, 真正达到可视化。在石油企业, 由于采油生产设备内部结构较复杂, 例如电动潜油泵、井底螺杆泵、射流泵、各种封隔器等设备, 受训人员无法通过肉眼直观地观察到抽油泵内部结构, 尤其在抽油泵运行过程中, 对泵内部构件运行情况及运行状态无法了解。而通过虚拟仿真技术, 可以把各式抽油泵内部各种构件直观、逼真、形象地表现出来。这样, 在抽油泵运行过程中, 可以清楚看到电机转动状态, 上冲程、下冲程过程中泵的活塞运行情况, 井底流体在泵生产过程中的流动等。虚拟仿真技术把内部结构、运行情况通过互动式动画形象地表达出来, 从而达到内部构成剖面化。这对受训人员深入理解和掌握有关设备的内部结构、运行原理、故障处理, 显然是十分必要的。
2. 建立虚拟实验室。
对基础知识而言, 实验室是不可缺少的。由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统, 包括相应实验室环境、有关实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现, 也可以是虚拟构想的实验室。在虚拟实验室中, 实验者有逼真的感觉, 似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场操作。利用虚拟现实技术, 可以建立各种虚拟实验室, 如地理、物理、化学、生物实验室等, 大到宇宙天体, 小至原子粒子, 受训者都可以进入这些物体内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程, 通过虚拟现实技术, 可以在很短时间内呈现给学生。例如, 放射性物质衰变需要很长时间, 而虚拟技术在一堂课内就可以实现。在“实验室”里学生可以自由地做各种实验, 不必考虑危险程度。对一些煤矿企业的实验室, 可以简单地模拟井下回采工作面、掘进工作面在某种环境条件下的瓦斯爆炸、燃烧、烟雾形成等过程, 及瓦斯爆炸现场的虚拟漫游。在这种实验条件下, 可进行灾害应急训练。通过模拟井下事故, 来训练工作人员灾害应急能力。也可以进行事故调查分析。以一系列三维图像在计算机屏幕上再现各种事故发生的过程, 事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生的过程, 找出事故原因也可以防止其它与此相关的潜在事故的出现。
3. 虚拟实训基地。